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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Kohlebürste mit Abschaltvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es sind Kohlebürsten dieser Art bekannt (
DE 1 679 529 U1 ), bei denen der Druckfederkörper aus einer zylindrischen Schraubenfeder aus Federstahl besteht, die zum Erreichen einer möglichst geringen Gesamtlänge des Systems der Abschaltvorrichtung und eines möglichst großen Verschleißweges des Bürstenkörpers höchstens so weit vorgespannt und zusammengedrückt werden kann, dass deren zylindrische Windungen aufeinander liegen und die Feder auf Block vorgespannt ist. Dadurch wird der maximal nutzbare Verschleißweg des Bürstenkörpers bestimmt, der sich aus dem Verhältnis des möglichen theoretischen Verschleißweges der Kohlebürste zur Länge der Abschaltvorrichtung ergibt. Ein geringer Verschleißweg als reale Nutzlänge des Bürstenkörpers erfordert einen frühen Austausch der Kohlebürsten, wenn diese den zulässigen Verschleißweg überschritten haben. Zylindrische Schraubenfedern aus Metall als Druckfederkörper sind kostenaufwendig und können schadhaft werden, z. B. brechen. Sie weisen eine geringe Biegesteifigkeit auf. Während des Abschaltvorganges, wenn der Druckfederkörper den Bürstenkörper bereits vom Kommutator eines Elektromotors abgehoben hat und den Stromkreis unterbrochen hat, trudelt der Elektromotor noch aus. Dieses Auslaufen kann bei ungebremsten Maschinen im Leerlauf 5 bis 15 sec. dauern. Während dieser Zeit wirken über den Kontakt des Abschaltkörpers mit dem rotierenden Kommutator Querkräfte auf den Druckfederkörper, die zu starker Schiefstellung der zylindrischen Schraubenfeder mit Beschädigung dieser und zum Ausreißen des Abschaltkörpers infolge dieser starken Schiefstellung führen können. In beiden Fällen können Beschädigungen des Kommutators verursacht werden bishin zur kompletten Zerstörung des Elektromotors.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Kohlebürste mit Abschaltvorrichtung hat den Vorteil, dass aufgrund des Kunststoffmaterials die Kosten für die Kohlebürste reduziert werden und ferner auch eine kürzere, gedrängte Bauweise der Abschaltvorrichtung erzielt werden kann. Kunststoffmaterial hat ferner den Vorteil erleichterter Formgebung für verschiedene Gestaltungsformen. Ferner werden dadurch die Voraussetzungen dafür geschaffen, dass die Bauteile Druckfederkörper und Abschaltkörper als einstückige Komponente gestaltet werden können. Auch der Einsatz unterschiedlicher Kunststoffmaterialien für den Druckfederkörper einerseits und den Abschaltkörper andererseits bei einstückiger Gestaltung ist möglich, wobei die Abschaltvorrichtung auch im 2K-Verfahren herstellbar ist. Da Kunststoffmaterial aufgrund des federnden Verhaltens bei entsprechender Gestaltung eine abdichtende Wirkung hat, kann unter Umständen auf eine oberseitige Trennscheibe verzichtet werden, die sonst bei metallischen Federn notwendig ist, damit bei der Verstampfung kein metallisches Pulver in den Hohlraum des Bürstenkörpers gelangt, wodurch eine dortige metallische Feder blockieren könnte. Durch entsprechende Gestaltung des federnden Druckfederkörpers aus Kunststoff kann auch dessen Biegesteifigkeit im Vergleich zu zylindrischen metallischen Schraubenfedern gesteigert werden, so dass der Druckfederkörper auch großen Querkräften ohne stärkere Schiefstellung standhalten kann und somit zuverlässig Schäden am Kommutator des Elektromotors, an den Kohlebürsten und an anderen Bauteilen eines Elektrogerätes vermieden werden und dadurch bedingte Reparaturkosten entfallen.
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Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Kohlebürste möglich.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Kohlebürste sieht vor, dass der Druckfederkörper aus thermoplastischem Kunststoff gebildet ist. Hierbei können der Druckfederkörper und der Abschaltkörper auch zu einem stofflich einstückigen Bauteil aus Kunststoff vereint sein. Eine solche einstückige Komponente als Abschaltvorrichtung ist besonders einfach und kostengünstig. Je nach Gestaltung kann bei dieser das Axialmaß der Abschaltvorrichtung klein gehalten werden und dadurch die nutzbare Verschleißlänge der Kohlebürste noch weiter vergrößert werden, mit allen sich dadurch ergebenden Vorteilen.
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Eine andere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Druckfederkörper aus einem Elastomer besteht. Auch in diesem Fall kann es vorteilhaft sein, wenn der Druckfederkörper und der Abschaltkörper als einstückige Komponente ausgebildet sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Druckfederkörper aus zumindest einer Feder aus Kunststoffmaterial gebildet ist. Dabei kann die Feder z. B. als Federbalg ausgebildet sein oder Federwindungen aufweisen. Hierbei kann es von Vorteil sein, wenn die Federwindungen im vorgespannten, zusammengedrückten Zustand unter Verkürzung der Feder zumindest teilweise ineinander liegen. Dadurch lässt sich eine Verkürzung im Bereich des Druckfederkörpers im vorgespannten Zustand erreichen, mit der Folge, dass eine Vergrößerung der nutzbaren Verschleißlänge der Kohlebürste erzielt wird. Es versteht sich, dass auch bei einem derart gestalteten Druckfederkörper dieser mit dem Abschaltkörper aus Kunststoff zu einem stofflich einstückigen Bauteil vereint sein kann. Auch unterschiedliche Materialien für den Teil, der den Druckfederkörper darstellt, und für den anderen, den Abschaltkörper bildenden Teil der einstückigen Komponente sind möglich, wobei eine Herstellung im 2K-Verfahren erfolgen kann.
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Von Vorteil kann es ferner sein, wenn der Druckfederkörper das Ende des Hohlraums des Bürstenkörpers unter Abdichtung gegen Materialeintrag einer darüber einzubringenden Verstampfung verschließt. Dadurch kann auf eine besondere Trennscheibe verzichtet werden. Dies führt zu einer Reduzierung der axialen Abmessungen der Abschaltvorrichtung und reduziert wegen Wegfalls der Trennscheibe auch die Kosten. Die Abschaltvorrichtung wird dadurch noch kompakter. Für die Abdichtung des Hohlraumes gegen den Materialeintrag des metallischen Pulvers bei der Verstampfung wird die abdichtende Wirkung des Kunststoffmaterials genutzt.
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Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn der Druckfederkörper aus einem Kunststoffschaumkörper gebildet ist. Ein solcher besteht aus geschäumtem Kunststoff und hat ein ausreichend federndes Verhalten. Der Druckfederkörper kann hierbei z. B. aus einem kompressiblen Polyurethanschaum gebildet sein und einen etwa zylindrischen Körper in der Ausbildung als einstückige Komponente aufweisen, der als Federpuffer wirksam ist und am unteren Ende bei der einstückigen Gestaltung den Teil bildet, der bei zweiteiliger Ausbildung ein Abschaltkörper ist. Hierdurch wird eine besondere Vereinfachung erzielt. Die Anzahl notwendiger Komponenten der Abschaltvorrichtung wird auf diesen einstückigen Kunststoffschaumkörper reduziert, der aufgrund des abdichtenden Verhaltens auch eine Trennscheibe unterhalb der Verstampfung entbehrlich macht. Im Hohlraum des Bürstenkörpers befindet sich dann lediglich der Kunststoffschaumkörper, wobei der Hohlraum am offenen Ende mittels der Verstampfung verschlossen ist, die die Abstützkräfte für den Kunststoffschaumkörper aufnimmt.
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Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn der Druckfederkörper für sich allein oder in Form der mit dem Abschaltkörper einstückigen Komponente als Hohlkörper oder als Vollkörper ausgebildet ist.
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Von Vorteil kann es ferner sein, wenn der Druckfederkörper an einem Ende einen damit einstückigen zylindrischen Fortsatz aufweist, der als Einpressteil in den Hohlraum eingepresst ist und darin dicht und fest durch Pressverbindung gehalten ist. Dadurch wird das federnde Verhalten des Kunststoffmaterials nicht nur zur Abdichtung des Hohlraums genutzt sondern auch zum Einpressen in den Hohlraum, wodurch der Druckfederkörper mittels Pressverbindung unter zusätzlicher Abdichtung derart fest mit dem Bürstenkörper verbunden ist, dass durch die Pressverbindung auch die Abstütztkräfte des Druckfederkörpers aufgenommen werden.
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Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
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1 einen schematischen Schnitt mit teilweiser Seitenansicht eines Teils einer Kohlebürste mit Abschaltvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel bei gespanntem Druckfederkörper,
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2 einen schematischen Schnitt der Kohlebürste in 1 bei entspanntem Druckfederkörper,
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3 einen schematischen Schnitt mit teilweiser Seitenansicht eines Teils einer Kohlebürste mit Abschaltvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel bei gespanntem Druckfederkörper,
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4 einen schematischen Schnitt der Kohlebürste in 3 bei entspanntem Druckfederkörper,
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5 einen schematischen Schnitt mit teilweiser Seitenansicht eines Teils einer Kohlebürste mit Abschaltvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel bei gespanntem Druckfederkörper,
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6 einen schematischen Schnitt der Kohlebürste in 5 bei entspanntem Druckfederkörper,
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7 einen schematischen Schnitt mit teilweiser Seitenansicht eines Teils einer Kohlbürste mit Abschaltvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel bei gespanntem Druckfederkörper.
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In
1 und
2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kohlebürste
10 mit Abschaltvorrichtung
20 gezeigt. Kohlebürsten
10 dieser Art stellen in bekannter Weise den elektrischen Kontakt zum Kommutator von Elektromotoren her, wie sie beispielsweise für Elektrogeräte für Haushalt oder Handwerk, insbesondere auch für Elektrohandwerkzeugmaschinen, eingesetzt werden. Derartige Kohlebürsten
10 bestehen aus einem Bürstenkörper
11 aus Graphit, in den üblicherweise der elektrische Anschluss eingepresst oder in sonstiger Weise damit verbunden ist. Der notwendige Anpressdruck, mit dem der Bürstenkörper
11 gegen den Kommutator des Elektromotors angedrückt wird, erfolgt durch ein Federelement z. B. in Form einer Spiralfeder (
EP 0 937 320 B1 ).
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Die Abschaltvorrichtung 20 hat den Zweck, den Kommutator des Elektromotors nach Abnutzung der Kohlebürsten vor mechanischen Beschädigungen oder Verbrennungen zu schützen. Die Abschaltvorrichtung 20 weist einen Abschaltkörper 21 aus elektrisch isolierendem Material auf, der als Stift oder Abschaltnippel ausgebildet ist. Beim gezeigten ersten Ausführungsbeispiel weist der Abschaltkörper 21 einen gerundeten Kopf 22 mit rückseitigem Stiftansatz 23 auf. Ferner ist ein vorgespannter, den Abschaltkörper 21 federelastisch in 1 nach unten beaufschlagender Druckfederkörper 24 vorgesehen, der mit einem Ende am Abschaltkörper 21 angreift. Der Bürstenkörper 11 ist mit einem z. B. zylindrischen Hohlraum 12 versehen, in dem der Druckfederkörper 24 und der Abschaltkörper 21 gehalten sind. Der Hohlraum 12 ist am in 1 oberen Ende mit einer Trennscheibe 13, an der sich der Druckfederkörper 24 abstützt, verschlossen, wobei oberhalb der Trennscheibe 23 eine sogenannte Verstampfung 14 aus metallischen pulverförmigen Werkstoffen vorgesehen ist, über die die Abstützkräfte des Druckfederkörpers 24 aufgenommen und in den Bürstenkörper 11 geleitet werden. Die Trennscheibe 13 verhindert, dass während des Vorganges der Verstampfung Metallpulver in den Bereich des Hohlraumes 12 und damit in den Bereich des Druckfederkörpers 24 gelangen kann, das zu Störungen während des Abschaltvorganges führen könnte. In 1 ist die Abschaltvorrichtung 20 im gespannten Zustand des Druckfederkörpers 24 dargestellt, wobei der Bürstenkörper 11 nicht hinsichtlich seiner vollständigen Länge sondern abgebrochen gezeigt ist.
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Durch den unvermeidlichen Abtrag aufgrund des Kontakts zwischen der Kohlebürste und dem nicht gezeigten Kommutator des Rotors eines Elektromotors findet ein Verschleiß bei der Kohlebürste 10 statt, und zwar an dem Endbereich, das dem die Abschaltvorrichtung 20 enthaltenden Ende gegenüberliegt. Nach kompletter Abnutzung der Kohlebürste 10 während des Betriebs bricht der Abschaltkörper 21 durch das im benachbarten Bereich 15 befindliche Material der Kohlebürste 10 durch und gelangt unter der Wirkung des Druckfederkörpers 24 in Berührungskontakt mit dem Kommutator. Dadurch drückt der Abschaltkörper 21 über den sich entspannenden Druckfederkörper 24 den verbleibenden Bürstenkörper 11 in Richtung des Pfeiles 16 vom nicht gezeigten Kommutator weg, wodurch der Stromfluss unterbrochen wird und der Elektromotor sich dann kontrolliert abschaltet. Zur Sicherstellung des Abschaltvorganges sollte der Bürstenkörper 11 z. B. um mindestens 1 mm vom Kommutator abheben. Dies wird durch entsprechende Vorspannung des Druckfederkörpers 24 erreicht, wobei dieser gewährleisten muss, dass die erforderliche Federkraft über den notwendigen Federweg hinweg aufgebracht wird. Aufgrund dieser Wirkung der Abschaltvorrichtung 20 werden Beschädigungen am Kommutator des Rotors eines Elektromotors vermieden, so dass es notwendig ist, vom Benutzer bzw. der Servicewerkstatt lediglich die abgenutzten Kohlebürsten 10 gegen unverbrauchte neue auszutauschen.
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Man erkennt, dass die einzelnen Komponenten der Abschaltvorrichtung 20, also der Abschaltkörper 21, der Druckfederkörper 24, die Trennscheibe 13 und die Verstampfung 14, eine gewisse Gesamtlänge des Systems bedingen und den nutzbaren Verschleißweg der Kohlebürste 10 bestimmen. Die Gesamtlänge der Kohlebürste 10 ist in der Regel durch die Konstruktion des Elektrogerätes vorgegeben, so dass bei entsprechender Gesamtlänge des Systems der Abschaltvorrichtung 20 ein restlicher Verschleißweg als reale Nutzlänge verbleibt. Wenn dieser Verschleißweg überschritten wird, ist ein Austausch der Kohlebürsten 10 notwendig.
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Der Druckfederkörper 24 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und gemäß der Erfindung ist aus Kunststoff gebildet und federnd. Er besteht z. B. aus einem Elastomer.
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Dabei hat der Druckfederkörper 24 die Gestalt einer Feder 25, wobei diese Feder 25 z. B. als Federbalg 26 ausgebildet ist, dessen Wandung 27 gewellt ist, wodurch sich rippenartige Vorsprünge ergeben, die entweder in Bezug auf die Längsmittelachse etwa ringförmig und parallel zueinander verlaufen oder die spiralig verlaufen. Die Feder 25 ist z. B. als Hohlkörper ausgebildet. Am in der Zeichnung unteren Ende dieses Druckfederkörpers 24 ist der Abschaltkörper 21 befestigt. Das obere Ende des Hohlraums 12 ist mittels der Trennscheibe 13 verschlossen, über der die Verstampfung 14 vorgesehen ist. Die Gestaltung des Druckfederkörpers 24 aus Kunststoff macht es aufgrund der abdichtenden Wirkung des Kunststoffmaterials möglich, auf die Trennscheibe 13 zu verzichten und den Druckfederkörper 24 unmittelbar mit dem oberen Ende als abdichtendes Element zu nutzen. Ist am oberen Ende des Druckfederkörpers 24 ein insbesondere zylindrischer Fortsatz einstückig angeformt, kann der Druckfederkörper 24 mit diesem Fortsatz in den Hohlraum 12 von oben her eingepresst werden. Der Fortsatz ist so bemessen, dass dieser mittels Pressverbindung im Hohlraum 12 gehalten ist und dadurch die Verstampfung 14 ersetzt, was zu einer weiteren Vereinfachung führt.
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Der Abschaltkörper 21 kann aus Isoliermaterial, insbesondere aus Kunststoff, z. B. aus einem faserverstärkten Kunststoff, bestehen.
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Bei einem anderen, nicht gezeigten und besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind der Druckfederkörper 24 und der Abschaltkörper 21 gemäß 1 und 2 zu einem stofflich einstückigen Bauteil aus Kunststoff vereint. Dies ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die axialen Abmessungen sowie im Hinblick auf die Kosten, da ein einstückiges Element 21, 24 besonders kostengünstig ist und dadurch auch die Anzahl der notwendigen Komponenten der Abschaltvorrichtung 20 verringert wird. Bei dieser einstückigen Gestaltung ist auch eine Herstellung dieses einstückigen Bauteils 21, 24 aus verschiedenen Kunststoffmaterialien nach dem 2K-Verfahren möglich. In der Gestaltung als Federbalg 26 ist der Durckfederkörper 24 ein Hohlkörper. Man erkennt, dass auch andere Gestaltungen im fachmännischen Wissen liegen, bei denen der Durckfederkörper 24 und/oder der Abschaltkörper 21 aus Kunststoff gebildet sind.
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Bei dem in 3 und 4 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ist der Druckfederkörper 24 wiederum aus Kunststoff und federnd. Er kann aus einem thermoplastischem Kunststoff gebildet sein. Der Druckfederkörper 24 ist als etwa zylindrische Schraubenfeder 25 mit mehreren Federwindungen 28, 29, 30 ausgebildet, wobei die Federwindungen spiralig verlaufen. Stattdessen kann der Druckfederkörper 24 gemäß 3 und 4 auch solche Federwindungen aufweisen, die zumindest im vorgespannten, zusammengedrückten Zustand unter Verkürzung des Druckfederkörpers 24 zumindest teilweise ineinander liegen. In 3 und 4 ist am oberen Ende des Hohlraums 12 eine Trennscheibe 13 dargestellt, die dann notwendig ist, wenn die Feder 25 den Hohlraum 12 nicht aufgrund ihres materialbedingten Abdichtungsvermögens gegen das Material der Verstampfung 14 abzudichten vermag. Der Druckfederkörper 24 und der Abschaltkörper 21 sind zu einem stofflich einstückigen Bauteil aus Kunststoff vereint und stellen somit eine einstückige Komponente der Abschaltvorrichtung 20 dar. Das Kunststoffmaterial dieser einstückigen Komponente 21, 24 ist elektrisch isolierend und somit für diese einstückige Gestaltung von Abschaltkörper 21 und Druckfederkörper 24 bestens geeignet. Auch hier kann die Feder 25 am oberen Ende als Ersatz für die Trennscheibe 13 und die Verstampfung 14 einen dichtenden zylindrischen, damit einstückigen Fortsatz aufweisen, der als Einpressteil in den Hohlraum 12 dicht und fest eingepresst ist und abdichtet sowie die Abstützkraft der Feder 25 aufnimmt.
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Bei dem in 5 und 6 gezeigten dritten Ausführungsbeispieles sind ebenfalls der Abschaltkörper 21 und der Druckfederkörper 24 zu einem einstückigen Bauteil aus Kunststoff vereinigt, wobei diese einstückige Komponente hier aus einem Kunststoffschaumkörper besteht, z. B. aus kompressiblem federnden Polyurethanschaum. Die einstückige Komponente aus Abschaltkörper 21 und Druckfederkörper 24 kann dabei als Hohlkörper oder aus Vollkörper gestaltet sein. Aus 5 und 6 ist ersichtlich, dass bei diesem Ausführungsbeispiel die Trennscheibe 13 nicht vorhanden ist. Das Ende des Hohlraums 12 wird durch das materialbedingte Abdichtungsverhalten der einstückigen Komponente 21, 24 aus Kunststoff abgedichtet.
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Das in 7 gezeigte vierte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von demjenigen in 5 und 6 dadurch, dass der Druckfederkörper 24 am in der Zeichnung oberen Ende einen damit einstückigen zylindrischen Fortsatz 31 aufweist, der als Einpressteil in den Hohlraum 12 eingepresst ist. Dadurch wird einerseits eine Abdichtung des Hohlraumes und andererseits durch die Pressverbindung eine sichere Befestigung des Druckfederkörpers 24 im Bürstenkörper 11 durch Pressverbindung erreicht, durch die die Abstützkräfte aufgenommen werden. Die Verstampfung 15 ist dabei entbehrlich. Die Abschaltvorrichtung 20 ist dadurch besonders einfach, da diese auf ein einziges Bauteil, das in den Hohlraum 12 einzusetzen ist, reduziert ist.
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Dadurch, dass der Druckfederkörper 24 und der Abschaltkörper 21 aus Kunststoff gebildet sind und dabei z. B. in besonders vorteilhafter Weise als einstückige Komponente ausgeführt sind, lässt sich die Anzahl der notwendigen Komponenten der Abschaltvorrichtung 20 erheblich reduzieren. Die Abschaltvorrichtung 20 ist dadurch wesentlich vereinfacht, kompakt und kostengünstig.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1679529 U1 [0002]
- EP 0937320 B1 [0020]
